nous cherchons à estimer l’apport d’un modèle à plus haute résolution dans la com- préhension de la sensibilité des mesures altimétriques à l’altération de l’état de la surface par les vents.
Le modèle MAR a comme spécificité la paramétrisation des hauteurs de sastrugis en fonction de la vitesse des vents, du taux d’érosion et des précipitations (Gallée et al., 2001). La formation d’ondulations à la surface de la calotte polaire va modifier l’intensité et éventuellement la direction des vents proches de la surface (Frezzotti et al., 2002). Il existe donc des mécanismes d’interactions marqués entre le vent à la surface et l’état de la surface. La prise en compte de ces mécanismes dans la modélisation des vents de proche surface comme cela est fait dans le modèle MAR représente ainsi un grand intérêt.
Nous utilisons des simulations pour les années 2004, 2005 et 2006 avec une réso- lution spatiale à 20 km. Nous avons adapté la résolution spatiale afin de travailler avec les grilles habituelles.
Comme précédemment, nous allons commencer par comparer les séries tempo- relles de MAR avec les mesures de quelques stations automatiques présentes en An- tarctique. Puisque les signaux altimétriques présentent une forte saisonnalité, nous évaluerons dans un deuxième temps la saisonnalité du modèle atmosphérique régio- nal. Nous étudierons ensuite le lien entre les variations d’intensité de vent fournies par MAR et le coefficient de rétrodiffusion en bande Ku, avant d’exploiter par la suite l’ensemble des paramètres de forme d’onde à notre disposition. Nous allons fi- nalement dans ce chapitre chercher à établir des jeux de coefficients des ajustements en nombre limité, chaque jeu de coefficients étant valable pour des régions assez étendues de l’Antarctique.
6.1
Comparaison avec les mesures des stations au-
tomatiques
La figure 6.1 représente les intensités de vents selon MAR et celles mesurées par quelques stations automatiques, après filtrage des variations d’échelle tempo- relle inférieure au mois (voir Chapitre Quatre). Comme cela a déjà été mentionné au Chapitre Trois, les stations mesurent les vents à 3 m tandis que les modèles fournissent les vents à 10 m. Cela explique les différentes amplitudes que l’on ob- serve pour certaines stations. Cela n’est pourtant pas vrai pour toutes les stations. La rugosité de la surface, entre autres, joue un grand rôle dans le gradient vertical de vent en proche surface. Les spécificités locales de chacune des stations peuvent expliquer une différence plus ou moins grande entre l’intensité du vent à 3 et à 10 m. N’oublions pas non plus que les valeurs fournies par les modèles sont représenta- tives d’une région correspondant à une maille du modèle, alors que les mesures sont locales, et leur représentativité dépend, là-encore, de la situation de la station.
Les variations d’intensité de vent fournies par le modèle MAR sont très proches de celles mesurées par les stations prises en exemple, excepté pour la station Sky Blue (figure 6.1(d)), comme cela est par ailleurs confirmé dans le tableau 6.1 (corrélation quasiment nulle pour cette station).
186 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
(a) Byrd, altitude 1530m (b) Dôme Fuji, altitude 3810m
(c) Schwerdtfeger, altitude 54m (d) Sky Blue, altitude 1510m
(e) Dôme C II, altitude 3250m (f) Pegasus North, altitude 8m
Figure 6.1 – Comparaison entre les données de vents fournies par quelques stations automatiques et MAR
Station Byrd Dôme
Fuji Schwerdt- feger Sky Blue Dôme C II Pegasus North Ecart Type 1.73 0.65 0.92 1.78 0.71 0.74 Corrélation 0.52 -0.18 0.57 0.07 -0.19 0.78
Table 6.1 – Ecarts Types des différences entre les séries temporelles des stations automatiques et celles de MAR (m/s) et Corrélations entre ces deux mêmes séries de valeurs.
6.2. Saisonnalité des vents 187
6.2
Evaluation de la saisonnalité de l’intensité des
vents
(a) Moyenne (b) Ecart Type
Figure 6.2 – Cartographie des valeurs moyennes et écarts types de l’intensité des vents pour la période 2004-2007
Nous représentons à titre indicatif et afin de permettre les comparaisons avec les modèles précédemment exploités les valeurs moyennes et l’écart type de l’intensité des vents dans MAR (figure 6.2). Nous remarquons alors que les structures spatiales mises en évidence dans la répartition des intensités moyennes sont très proches de celles de ERA-Interim. Les valeurs des écarts types sont très homogènes à l’échelle du continent, mis à part dans certaines régions côtières ou elles sont plus élevées, notamment en Antarctique de l’Ouest.
La figure 6.3 représente les caractéristiques des cycles saisonniers ajustés aux 3 ans de la période d’étude. Cette période est assez courte, mais permet toutefois de calculer des ajustements relativement pertinents, notamment là où les vents sont en moyenne plus intenses (voir figure 6.3(a)). La carte d’amplitude des cycles saisonniers ajustés (figure 6.3(b)) met une fois de plus en évidence les mêmes structures spatiales que la carte de moyennes des vents. Plus les vents sont intenses, plus leurs variations autour de la moyenne sont importantes. La carte indiquant le mois du maximum de vents est similaires à celles déjà obtenues au chapitre trois, et indique que les vents sont maximum durant l’hiver austral.
6.3
Lien avec la rétrodiffusion
Nous calculons la corrélation en chaque point de la calotte polaire entre la ré- trodiffusion en bande Ku et les intensités de vent de MAR. Nous cherchons à voir si les structures spatiales mises en évidence sont les mêmes que précédemment ou
188 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
(a) Pertinence Cycle Saisonnier (b) Amplitude Cycles Saisonnier
(c) Phase Cycle saisonnier
Figure 6.3 – Caractéristiques de la saisonnalité des vents dans MAR : Corrélation entre le meilleur cycle saisonnier ajusté et les séries temporelles initiales (6.3(a)), Amplitude (6.3(b)) et Phase (6.3(c)) de ce cycle saisonnier. La phase représente le mois durant lequel le maximum est atteint (0=mois de janvier).
6.4. Reconstitution du vent 189
non. Nous retrouvons effectivement deux régions (voir figure 6.1(a)) définies par le signe de la corrélation étudiée, dont les délimitations sont proches de celles déjà identifiées.
(a)
(b)
(c)
Table 6.2 – Liens entre le coefficient de rétrodiffusion en bande Ku et les variations d’intensité de vents dans MAR
Les courbes 6.1(b) et 6.1(c) montrent les variations du coefficient de rétrodiffu- sion, l’ajustement réalisé à partir de ce paramètre et les variations d’intensité de vent pour deux points de la calotte. Comme cela était déjà le cas auparavant, il existe des régions pour lesquelles les variations de rétrodiffusion sont en bon accord avec les variations de vent (figure 6.1(b)). Mais cela n’est pas le cas en tout point de la calotte polaire (figure 6.1(c)).
6.4
Reconstitution des variations de vents grâce aux
paramètres de forme d’onde
Nous avons réalisé un ajustement pendant les 3 ans (2004-2006) pour lesquels nous disposons des simulations MAR en utilisant l’ensemble des 7 paramètres de forme d’onde, ou uniquement les 5 paramètres déjà choisis précédemment. Les corré- lations obtenues sont tout à fait satisfaisantes (cartes 6.2(a) et 6.3(a)), et les courbes
190 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
(a)
(b)
(c)
Table 6.3 – Liens entre les sept paramètres de forme d’onde et les variations d’in- tensité de vents dans MAR
6.4. Reconstitution du vent 191
(a)
(b)
(c)
Table 6.4 – Liens entre 5 paramètres de forme d’onde (sans les paramètres de front) et les variations d’intensité de vents dans MAR
192 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
MAR Autre
Ajustement Rétrodiffusion (Ku) 0.29 0.30
Ajustement 7 paramètres 0.85 0.81
Ajustement 5 paramètres 0.80 0.76
Table 6.5 – Comparaison des corrélations moyennes obtenues sur l’ensemble de la calotte polaire entre les ajustements et les séries temporelles de vents avec MAR d’une part et avec les réanalyses précédemment étudiées (on ne fait figurer ici que la corrélation la plus haute obtenue des 3 réanalyses). Les périodes temporelles sont différentes (2004-2006 pour MAR contre 2003-2007 pour les autres)
des figures 6.2(b), 6.2(c), 6.3(b) et 6.3(c)) montrent que les variations de vents sont en effet bien reproduites par les ajustements.
Le tableau 6.5 récapitule les corrélations moyennes entre les intensités de vent et les ajustements. Nous faisons figurer les deux cas de figures calculés ici (utilisation de la rétrodiffusion seule et des 7 paramètres), et comparons les valeurs obtenues avec les valeurs les plus hautes obtenues avec les modèles globaux. Ces valeurs sont tout à fait comparables. Les périodes sont différentes (5 ans pour les autres modèles et seulement 3 ans avec MAR) c’est pourquoi il est difficile d’interpréter les faibles écarts obtenus ici.
Nous avons à notre disposition 3 ans de simulations MAR. Nous ne pouvons alors pas avec ce modèle calculer nos ajustements sur une sous-période afin d’appliquer les coefficients à la sous-période restante. Les résultats seraient trop peu significatifs. Les calculs des ajustements que nous faisons avec les observations altimétriques ne permettent pas de mettre en valeur la meilleure prise en compte de l’influence des vents dans le modèle MAR. Nous avons pour faire ces ajustements un certain nombre de degrés de liberté. Il faudrait pouvoir mieux contraindre la reconstitution des intensités de vent par les paramètres de forme d’onde, en s’appuyant sur des principes physiques. En particulier il faudrait ne pas laisser les paramètres de forme d’onde se combiner trop différemment entre deux points de grille successifs.
6.5
Etude des coefficients obtenus
Pour tester la pertinence du point de vue physique des ajustements, nous visua- lisons les variations des coefficients calculés dans les ajustements le long de deux sections de longitude constante. Si ces coefficients évoluent chaotiquement, il paraît difficile de trouver une justification physique à ces ajustements. Il faudrait alors des explications différentes pour des points consécutifs, alors que les conditions mé- téorologiques et l’état de la surface s’ils varient dans l’espace, présentent toutefois certaines cohérences spatiales. Nous nous sommes de plus a priori affranchis des variations spatiales à très petite échelle.
Nous avions déjà visualisé de telles courbes pour les précédents ajustements, et avions vu que certains des 7 paramètres de forme d’onde apportaient des informa- tions redondantes, et qu’il était préférable d’en extraire quelques uns pour faciliter l’interprétation des courbes. Nous présentons ici l’évolution des coefficients lorsque
6.5. Etude des coefficients obtenus 193
l’on utilise l’ensemble des 7 paramètres de forme d’onde, ainsi que les 5 paramètres déjà sélectionnés auparavant.
(a) 7 paramètres, 25˚Est (b) 7 paramètres, 110˚Est
(c) 5 paramètres, 25˚Est (d) 5 paramètres, 110˚Est
Figure 6.4 – Evolution des coefficients issus du calcul des ajustements entre l’inten- sité du vent MAR et les paramètres de forme d’onde (7 et 5 paramètres) le long de deux sections de longitude constante. Les échelles diffèrent légèrement entre certaines figures.
Nous pouvons ici faire les mêmes constats que ceux établis précédemment ; l’uti- lisation des 7 paramètres apporte des informations redondantes. Lorsque plusieurs paramètres de forme d’onde varient brutalement le long de la section, cela peut être attribuable à un changement caractérisé de l’état de la surface, ou alors à un échange entre les rôles joués par les différents paramètres de forme d’onde. Il est alors difficile de vérifier laquelle de ces alternatives s’applique.
Dans la section à 25˚Est et 77˚Sud, le coefficient associé à la différence de largeur de front, chute brutalement. On remarque que lorsque l’on utilise 5 paramètres de forme d’onde (et que la différence de front n’est plus exploitée), deux autres paramètres présentent un pic à cet endroit : le coefficient de rétrodiffusion en bande Ku (cela était déjà le cas sur la figure 6.4(a)) ainsi que la différence de flanc, comme si ces paramètres prenaient le relai pour reproduire une anomalie de l’état de la surface à cet endroit.
Dans la région la plus intérieure le long de la section à 110˚Est, les coefficients présentent une forte variabilité, quel que soit le nombre de paramètres exploités dans le calcul d’ajustement, comme si l’état de la surface présentait une très forte variabilité dans ces régions, à l’origine d’instabilités dans le calcul des coefficients ou
194 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
bien ayant des effets différents sur la forme d’onde.
6.6
Recherche de zones cohérentes vis-à-vis de la
reconstitution des vents
Dans l’idéal, il faudrait déterminer un nombre restreint de jeux de coefficients caractérisant l’impact des variations de vents sur les paramètres de forme d’onde. Ainsi, on aurait une même relation valable sur des surfaces plus ou moins étendues, et qui permettrait de mieux isoler les rôles des différents paramètres de forme d’onde. Contraindre spatialement la relation permet également d’identifier d’éventuels biais dans les variations d’intensité de vents modélisés : on calcule les variations de vents grâce aux paramètres de forme d’onde, et on évalue les écarts avec les vents modélisés. Pour cela, nous prenons les points correspondants à l’emplacement des stations déjà prises en exemple auparavant. Pour deux d’entre elles (figures 6.5(b) et 6.5(e)) les amplitudes des variations sont très faibles, et le calcul des coefficients est proba- blement peu robuste. Nous calculons les ajustements entre les paramètres de forme d’onde et la série temporelle d’intensité de vents fournie par la station d’une part, et celle fournie par le modèle MAR d’autre part (courbes représentées sur la figure 6.5). Nous choisissons d’utiliser ici le modèle MAR puisqu’il est sensé mieux repro- duire l’impact des vents sur la surface et donc avoir une meilleure représentation des régions cohérentes du point de vue de l’état de la surface. Nous appliquons ensuite ces jeux de coefficients pour combiner les paramètres de forme d’onde à l’échelle de la calotte polaire. Il est évident que les relations ainsi calculées ne peuvent être valables pour la totalité du continent. Nous représentons pour chacune des stations concernées la carte de corrélation entre la série temporelle du coefficient de rétro- diffusion en bande Ku (coefficient le plus sensible à la rugosité de surface) au point étudié et celle du point de la station (figures 6.6(a), 6.7(a), 6.8(a), 6.9(a), 6.10(a) et 6.11(a)). Cela permet de dégager des zones de cohérence a priori, pour lesquelles on va évaluer si les variations de vents reconstituées avec les paramètres de forme d’onde sont pertinentes ou non. Cette série de cartes met une fois de plus en évi- dence les deux régions caractéristiques du comportement temporel des paramètres de forme d’onde. Nous voyons de plus sur cette série de cartes que la majorité des stations se trouve sur la même région. Nous allons donc pouvoir comparer les dif- férents ajustements pour cette région en particulier, et voir si l’on peut établir une relation pertinente pour l’ensemble de la zone. La deuxième région n’est représentée que par deux stations (figures 6.7(a) et 6.10(a)). Nous remarquons de plus que la station Sky Blue (figure 6.9(a)) si elle présente les caractéristiques de la première région, n’est que faiblement corrélée aux autres points. Ce point à la base de la Péninsule semble assez singulier, et ne permettra pas a priori d’obtenir des résultats extrapolables sur une large étendue.
Nous avons représenté pour chacune des stations les anomalies de vent données par MAR ainsi que par la station, et les deux ajustements correspondants (figure 6.5). Ils sont différents, et nous ne pouvons à ce stade estimer lequel est le plus pertinent. Nous aurons donc pour chacune des stations à présenter une série de 4 cartes : la carte de corrélation du coefficient de rétrodiffusion que nous venons de décrire, la
6.6. Zones cohérentes 195
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 6.5 – Comparaisons des anomalies temporelles d’intensité de vents de 6 stations et du modèle MAR aux mêmes points, ainsi que les ajustements calculés à partir des paramètres de forme d’onde correspondant.
196 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
(a) (b)
(c) (d)
Figure 6.6 – Cartes de corrélation pour la station Byrd : (a) entre la rétrodiffusion (Ku) au point de la station et au point de la carte, (b) et (c) entre le vent MAR et le vent reconstitué avec les coefficients calculés à partir du vent de la station automatique (b) et à partir du vent MAR à l’emplacement de la station (c), (d) Corrélation entre les deux reconstitutions de vents
6.6. Zones cohérentes 197
(a) (b)
(c) (d)
Figure 6.7 – Cartes de corrélation pour la station Dôme Fuji (mêmes légendes que pour la figure 6.6)
198 Chapitre 6 – Modèle Atmosphérique Régional (MAR)
(a) (b)
(c) (d)
Figure 6.8 – Cartes de corrélation pour la station Schwerdtfeger (mêmes légendes que pour la figure 6.6)